董 恒

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

路基是一種常見的用來支撐軌道結(jié)構(gòu)的下部構(gòu)筑物。我國(guó)的高速鐵路大多采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，有砟軌道和無砟軌道的路基結(jié)構(gòu)具有相同的形式，從上到下分為基床表層、基床底層和基床以下路堤三部分?；脖韺雍突驳讓釉诔休d荷載（包括交通荷載）并將荷載分散到路基上起關(guān)鍵作用?；脖韺雍突驳讓佑伤槭?、粗砂等散粒材料組成。大量針對(duì)路基填料的研究表明，基床表層和基床底層的變形量可以占到整個(gè)路基總變形量的50%以上。粗粒土的長(zhǎng)期動(dòng)力特性評(píng)估大多是基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重復(fù)三軸試驗(yàn)進(jìn)行的[1-3]。隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，對(duì)高鐵路基填料強(qiáng)度和變形特性的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)問題。因此有必要對(duì)非飽和高鐵路基填料（粗粒土、級(jí)配碎石等）在不同工況下的變形特征進(jìn)行深入研究。

該文以高鐵路基基床底層填料為研究對(duì)象，考慮含水率和加載頻率等因素，開展了一系列不同加載條件下的循環(huán)三軸試驗(yàn)。對(duì)比分析了加載頻率和含水率等因素對(duì)高鐵路基填料軸向累積塑性應(yīng)變和回彈模量的影響規(guī)律。研究成果對(duì)長(zhǎng)期處于高鐵列車荷載作用下的路基動(dòng)力穩(wěn)定、變形控制和病害防治具有重要意義。

1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器

該文試驗(yàn)所采用的儀器是KTL微機(jī)控制的動(dòng)三軸儀，如圖1所示，主要由軸向加載系統(tǒng)、孔壓傳感系統(tǒng)，壓力系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，軸向加載系統(tǒng)采用電磁激勵(lì)器供電，最大加載能力為10kN，位移行程為100mm，最大加載頻率為5Hz。圍壓由體積壓力控制器提供，體積壓力控制器最大加載壓力為2MPa，體積壓力控制器可以實(shí)現(xiàn)圍壓和反壓的無限切換，為孔隙水的變化提高足夠的體積。加載模式由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制，可以實(shí)現(xiàn)不同加載模公式（包括多級(jí)加載模式）。該儀器的試樣尺寸為直徑100mm，高度200mm。

1.2 試驗(yàn)土樣與制備

該試驗(yàn)所采用的高鐵路基填料取自成都附近一個(gè)采石場(chǎng)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)高鐵路基填料進(jìn)行了復(fù)配。該試驗(yàn)所用三軸設(shè)備所能測(cè)試的試樣尺寸為100mm直徑和200mm高度。為了消除試驗(yàn)尺寸的效應(yīng)影響，試樣內(nèi)顆粒最大粒徑不應(yīng)大于試樣直徑的1/5。為了更好地消除尺寸效應(yīng)，該試驗(yàn)所用粗顆粒材料最大粒徑為10mm。為了模擬哈大高鐵基床填料的粒度分布，按照平行相似法對(duì)原始路基填料的級(jí)配進(jìn)行了縮放，將五種不同粒徑的土（包括礫石，砂和粉質(zhì)黏土）按預(yù)定的比例混合在一起，縮放前后的級(jí)配曲線如圖2所示?？梢钥吹?，縮放前后的兩條級(jí)配曲線基本平行，具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)原型粗粒土與縮尺后的粗粒土在顆粒形狀和表面粗糙度上相近，而且兩類顆粒均為硬質(zhì)礫石，模量等物理量是相近的。因此，可以認(rèn)為材料差異引起的試驗(yàn)結(jié)果差異很小。

該文將粒徑小于2mm的土定為細(xì)粒土。該試驗(yàn)所混合的小于0.075mm的土液限是27.48%，塑限是17.23%，塑性指數(shù)是10.25%。根據(jù)土壤分類系統(tǒng)，小于0.075mm的土定名為粉質(zhì)黏土，按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》（TB 10102—2010）[4]中擊實(shí)試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定，對(duì)級(jí)配碎石及細(xì)粒土進(jìn)行了壓實(shí)試驗(yàn)，得到級(jí)配碎石最優(yōu)含水率為5.7%，最大干密度為2.08g/cm3。細(xì)粒土的最優(yōu)含水率為13.3%，最大干密度為1.87g/cm3。根據(jù)鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（TB 10001—2016）[5]，試樣的壓實(shí)系數(shù)取為0.95，試樣的制備過程參照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》（TB 10102—2010）[4]進(jìn)行。

該試驗(yàn)所測(cè)試的圓柱形試件高度為200mm，直徑為100mm。為了保證樣品的一致性，采用了標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)制備程序。首先計(jì)算出用于制備試樣的粗粒土、細(xì)粒土和水的質(zhì)量，取出所需質(zhì)量的細(xì)粒土，加水至最優(yōu)含水率13.3%，然后用塑料袋密封，放置在密閉容器中靜置24h，以達(dá)到水分均質(zhì)。然后將靜置后的細(xì)顆粒土與粗粒土混合，混合完畢后靜置于塑料箱中密封保存48h，使混合料中的水分達(dá)到初步均勻狀態(tài)。在最優(yōu)含水率下對(duì)試驗(yàn)混合料進(jìn)行制樣。采用分層擊實(shí)的方法進(jìn)行制樣，并嚴(yán)格控制試樣每層的層高和試驗(yàn)材料質(zhì)量。采用直尺從四個(gè)角度量測(cè)各層的相對(duì)高度，從而保證每層層高相等且沒有明顯高差。對(duì)試樣每層頂面進(jìn)行了拉毛處理，以保證試樣的完整性。完成試樣的擊實(shí)后，進(jìn)行套膜與安裝。將制備好的試樣轉(zhuǎn)移至動(dòng)三軸試驗(yàn)儀器的裝樣臺(tái)上，檢查試樣密封性后開展試驗(yàn)。

該研究所有的循環(huán)三軸試驗(yàn)都是在不排水條件下進(jìn)行的。所進(jìn)行測(cè)試的試樣也均為非飽和試樣。根據(jù)中國(guó)鐵道科學(xué)研究院[6]進(jìn)行的路基土動(dòng)力特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，0m～2.5m路基的圍壓約為25kPa～60kPa，因此試驗(yàn)圍壓設(shè)定為30kPa。為了綜合分析路基變形的穩(wěn)定性、危害性和破壞狀態(tài)，將動(dòng)應(yīng)力幅值范圍擴(kuò)大到30kPa～180kPa。

模擬列車荷載選用的波形通常有正弦波和半正弦波。在列車實(shí)際運(yùn)行條件下，路基既承受列車作用的循環(huán)動(dòng)載，又承受由上部結(jié)構(gòu)（如道床、軌枕、鋼軌）傳遞的靜偏應(yīng)力。施加半正弦波僅對(duì)試樣產(chǎn)生單向應(yīng)力，施加正弦波則產(chǎn)生雙向應(yīng)力。由于高鐵列車經(jīng)過不對(duì)土體產(chǎn)生拉應(yīng)力，僅產(chǎn)生壓應(yīng)力，因此宜選用半正弦波作為加載波形的基礎(chǔ)波形。該試驗(yàn)選2個(gè)荷載頻率（f=0.5Hz和3.5Hz），3個(gè)動(dòng)應(yīng)力幅值（30kPa，90kPa和180kPa）及兩個(gè)含水率（10.3%和13.3%）進(jìn)行加載。采用取分步加載的試驗(yàn)方案。首先對(duì)試樣進(jìn)行各向同性加載持續(xù)10min，然后對(duì)試樣施加15kPa的靜偏應(yīng)力，模擬上部結(jié)構(gòu)對(duì)路基的靜偏應(yīng)力作用。最后，對(duì)試樣施加不同幅值的動(dòng)荷載。加載停止條件設(shè)定為加載總振動(dòng)次數(shù)達(dá)到10000次或者試樣總軸向應(yīng)變達(dá)到10%。具體加載試驗(yàn)方案見表1。

表1 加載試驗(yàn)方案

2 變形特性試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究不同加載條件下高鐵路基填料軸向累積塑性應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律，分析含水率和加載頻率等因素對(duì)土體軸向累積塑性變形的影響。為了便于在一個(gè)圖形中對(duì)不同加載條件進(jìn)行對(duì)比，采用振次作為后續(xù)分析的橫軸。

2.1 含水率對(duì)高鐵路基填料累積塑性變形的影響

圖3給出了不同含水率條件下試樣軸向累積塑性應(yīng)變隨振次的變化情況，其中ω為試樣含水率，qampl為動(dòng)應(yīng)力幅值。隨著含水率的降低，試樣的軸向累積塑性應(yīng)變也隨之降低。為了進(jìn)一步探究含水率對(duì)高鐵路基填料軸向累積塑性應(yīng)變的影響程度，對(duì)不同含水率下的軸向累積塑性應(yīng)變進(jìn)行了對(duì)比。動(dòng)應(yīng)力幅值為30kPa、90kPa和180kPa時(shí)，含水率從10.3%增大至13.3%，路基填料的軸向累積塑性應(yīng)變分別增大了75.4%、83.2%和128.3%。隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增大，含水率對(duì)試樣軸向累積塑性變形的影響也變得更顯著。所以對(duì)高速鐵路，路基填料含水率的變化所引起的軸向累積塑性變形的變化不容忽視。

2.2 荷載頻率對(duì)高鐵路基填料累積塑性變形的影響

圖4 給出了不同荷載頻率作用下，試樣軸向累積塑性變形隨振次的發(fā)展情況?？梢钥闯?，在動(dòng)應(yīng)力幅值較小時(shí)（qampl≤90kPa），0.5Hz和3.5Hz所對(duì)應(yīng)的軸向累積塑性應(yīng)變相差不大，說明在低循環(huán)應(yīng)力幅值下，頻率對(duì)高鐵路基填料的軸向累積塑性變形影響不大。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值增至180kPa時(shí)，頻率對(duì)軸向累積塑性變形的影響顯著，隨著頻率的增加，試樣軸向累積塑性變形增大。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值為30kPa、90kPa和180kPa時(shí)，加載頻率從0.5Hz增至3.5Hz，路基填料的軸向累積塑性應(yīng)變分別增大了81.8%、13.6%和44.9%。頻率增大，使粗粒土的顆粒更容易發(fā)生破碎，土體孔隙變小，荷載作用時(shí)間縮短，土體孔隙中的水來不及排出，導(dǎo)致超靜孔隙水壓力增大，進(jìn)而導(dǎo)致累積變形增大。

2.3 含水率對(duì)高鐵路基填料回彈模量的影響

圖5 說明了不同含水率下路基填料的回彈模量隨振次的變化情況?？傮w來看，含水率增大，回彈模量隨之減少。動(dòng)應(yīng)力幅值為30kPa、90kPa和180kPa時(shí)，含水率從10.3%增至13.3%，回彈模量分別減少了432.6%、179.3%和159.4%。由此可以看出，動(dòng)應(yīng)力幅值越低，含水率對(duì)回彈模量的影響越顯著。

2.4 荷載頻率對(duì)高鐵路基填料回彈模量的影響

圖6說明了不同荷載頻率作用下路基填料回彈模量隨振次的變化情況?？傮w來看，荷載頻率增大，回彈模量隨之減少。動(dòng)應(yīng)力幅值為30kPa、90kPa和180kPa時(shí)，荷載頻率從0.5Hz增至3.5Hz，回彈模量分別減少65%、23%和34%。

3 結(jié)語

該文針對(duì)非飽和高鐵路基填料設(shè)計(jì)并進(jìn)行一系列循環(huán)三軸試驗(yàn)，研究了不同加載條件下高鐵路基填料軸向累積塑性應(yīng)變和回彈模量的變化規(guī)律，分析了加載頻率和含水率等因素對(duì)高鐵路基填料軸向累積塑性應(yīng)變和回彈模量的影響，得到了以下結(jié)論：1） 含水率對(duì)高鐵路基填料變形特性影響顯著。含水率越高，路基填料的軸向累積塑性應(yīng)變?cè)酱螅貜椖Ａ吭叫?。?dòng)應(yīng)力幅值越低，含水率對(duì)回彈模量的影響越顯著。2） 頻率對(duì)高鐵路基填料的變形特性有較大的影響。在低應(yīng)力幅值作用下，頻率對(duì)高鐵路基填料的軸向累積塑性應(yīng)變影響不明顯，在高應(yīng)力幅值作用下，隨著頻率的增加，試樣軸向累積塑性變形增大。隨著頻率的增加，高鐵路基填料的回彈模量逐漸減少。